KR100783925B1 - 차량 엔진의 ｃａｉ 전환 제어 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 차량 엔진의 CAI(Controlled-Auto Ignition) 전환 제어 방법에 관한 것으로서, 엔진 시동 후 SI(Spark Ignition) 모드에서 엔진 오일 온도를 판단 기준으로 하여 엔진 오일 온도가 자기 착화가 가능한 엔진 워엄-업(warm-up) 상태를 나타내는 기준 온도 이상이라면 CAI 운전 영역에서 2-스텝 VVL(Variable Valve Lift) 시스템의 밸브 리프트 값을 기본 설정값인 하이 밸브 리프트 값에서 로우 밸브 리프트 값으로 전환하여 CAI 모드로 전환시킴으로써, 정확한 시점에서 최단 시간 내에 CAI 전환 제어가 가능한 차량 엔진의 CAI 전환 제어 방법에 관한 것이다.

엔진, 연소, CAI(Controlled-Auto Ignition), SI(Spark Ignition), HCCI, 오일 온도, 가솔린 엔진, 언더 랩(under-lap)

Description

차량 엔진의 ＣＡＩ 전환 제어 방법 {Control Method for Controlled Auto Ignition of Engine}

도 1은 통상적인 예혼합 압축착화 엔진의 연소 제어 방법을 나타낸 도면,

도 2는 본 발명에 따른 CAI 전환 제어 과정을 나타낸 순서도,

도 3은 본 발명에서 언더 랩 밸브 제어를 설명하기 위한 도면.

차량 엔진의 CAI 전환 제어 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 엔진 시동 후 SI 모드에서 엔진 오일 온도를 판단 기준으로 하여 엔진 오일 온도가 자기 착화가 가능한 엔진 워엄-업 상태를 나타내는 기준 온도 이상이라면 CAI 운전 영역에서 2-스텝 VVL 시스템의 밸브 리프트 값을 SI 모드의 기본 설정값인 하이 밸브 리프트 값에서 로우 밸브 리프트 값으로 전환하여 CAI 모드로 전환시킴으로써, 정확한 시점에서 최단 시간 내에 CAI 전환 제어가 가능해지는 차량 엔진의 CAI 전환 제어 방법에 관한 것이다.

통상적으로 가솔린 엔진의 경우 전기적인 스파크를 사용하여 엔진 실린더 안에서 혼합기를 점화시키는 SI(Spark Ignition, 스파크 점화) 연소방식을 이용한다.

최근 다른 작동 모드로서 CAI(Controlled Auto-Ignition, 제어된 자동 점화) 연소방식이 알려져 있는데, 이는 SAE 논문 번호 2002-01-0422에 개시된 알렌 J 및 로우 D의 "가변 밸브로 작동되고 제어된 자동 점화; 작동의 속도 부하 지도 및 전략적 체제"에 설명된 것을 예로 들 수 있다.

예혼합 압축착화 기술은 가솔린을 연료로 하여 스파크 점화 연소와 압축착화 연소가 일어나는 CAI 엔진과, 디젤 연료를 이용한 HCCI(Homogeneous Charge Compression Ignition)엔진으로 구분된다.

CAI 연소는 스파크 점화 없이도 점화할 수 있는 자발화 방식(압축착화 방식)의 가솔린 엔진 연소 기술로서, 압축착화 방식과 스파크 점화 방식의 개념이 조합된 신개념의 연소 기술이다.

첨부한 도 1은 통상적인 예혼합 압축착화 엔진의 연소 제어 방법을 나타낸 도면이다.

본래 HCCI는 연료와 무관하게 예혼합 압축착화를 의미하는 용어였으나, 현재는 가솔린 연료를 사용하는 경우는 별도로 CAI라 칭하는 경우가 점점 많아지고 있다.

CAI에서는 연소 후 발생한 고온의 배기가스가 엔진 실린더 안에 잔류하거나 또는 배기가스 재순환(Exhaust Gas Recirculation, EGR)이라 하여 배기 매니폴드에 서 재흡입되는데, 예를 들면 배기밸브가 엔진 사이클의 유입 행정 동안에 조기에 폐쇄되거나 또는 재개방되어 실린더 내 연소가스를 증가시키도록 실린더 밸브들을 제어함으로써 이루어진다.

이때, 실린더 내에 잔류하는 고온의 연소가스는 자발화원이 되며, 연료, 공기, 연소가스의 혼합가스가 압축시에 자체 점화(자기 착화)되게 된다.

이러한 CAI 작동은 SI 작동과 비교하여 높은 연료 경제성과 오염물의 감소를 제공하는 것으로 알려지고 있다.

CAI 연소를 구현하기 위한 핵심 기술로서는 가변 압축비 기술을 통하여 압축 말기의 온도나 압력을 조절하는 방법, 가변 밸브 타이밍으로 연소실 내 잔류 가스량을 조절하여 자발화를 유도하는 방법, 흡기를 가열하는 방법 등이 있다.

이 중에서 현재는 밸브 타이밍이나 열림 구간 등을 변화시켜 연소실 내 잔류 가스량을 조절하는 가변 밸브 기구의 적용이 주류를 이루고 있다.

가변 밸브기구를 사용하여 CAI 연소를 구현하는 방식에는 크게 재흡입(Rebreathing)(배기포트 EGR) 방식과 언더 랩(Under-lap)(연소실 EGR) 방식의 두 가지로 구분될 수 있다.

재흡입 방식은 배기가스가 배기 포트로 배출되었다가 재흡입되는 형태이고, 언더 랩 방식은 배기가스가 연소실 내에 잔류하도록 Non-firing TDC 부근에서 흡기밸브 및 배기밸브가 닫혀 있는 방식이다.

재흡입 방식을 구현하기 위해서는 배기밸브를 두 번 열어주거나 배기밸브의 열림 구간을 극대화할 수 있는 캠리스(camless) 밸브기구 또는 CAI 전용의 특수 밸 브기구가 사용되어야 한다.

그러나, CAI 연소는 최근 가변 밸브 기구의 개발과 적용이 활발해지면서 많은 사람의 관심분야가 되어 있지만, CAI 연소가 고온의 배기가스를 이용하기 때문에 엔진의 시동은 반드시 SI 연소 모드로 시작해야 하는 한계가 있다.

이에 따라, SI 모드와 CAI 모드를 자유로이 전환할 수 있는 전환 제어 전략의 개발이 필수적인 상황이나, 아직까지는 CAI 전환에 관한 효과적인 제어 전략이 미비하여 실제 차량에 구현하기에는 미흡한 실정이다.

종래기술에 따른 문제점을 정리하면 다음과 같다.

1) 가변 밸브 타이밍을 사용한 언더 랩 방식은 내부 EGR량이 서서히 증감하기 때문에 CAI 전환 속도가 느리다.

2) 가변 밸브 타이밍을 사용한 언더 랩 방식은 CAI, SI 연소 전환 속도의 한계로 인하여 실화 및 토크 변동의 발생이 불가피하다.

3) CAI 전용의 특수 밸브 기구가 필요한 경우도 있다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 점을 고려하여 발명한 것으로서, 엔진 시동 후 SI 모드에서 CAI 연소가 가능한 엔진 상태를 판단하여 정확한 시점에서 최단 시간 내에 CAI 전환을 수행할 수 있는 차량 엔진의 CAI 전환 제어 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.

상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은, 엔진 시동 후 SI 연소가 이루어지는 상태에서 엔진 ECU가 엔진 오일 온도를 포함하여 CAI 운전 조건을 판정하기 위한 차량 상태값을 입력받는 단계와; 엔진 오일 온도가 자기 착화가 가능한 엔진 워엄-업(warm-up) 상태를 나타내는 기준 온도 이상이 되면 입력받은 차량 상태값으로부터 CAI 운전 영역에 해당하는지를 판단하는 단계와; 엔진 오일 온도가 기준 온도 이상이면서 CAI 운전 영역에 해당하는 것으로 판단되면 가변 밸브 리프트 시스템의 밸브 리프트 값을 SI 모드의 기본 설정값인 하이 밸브 리프트 값에서 로우 밸브 리프트 값으로 전환시키는 단계와; 상기 로우 밸브 리프트 값으로 전환됨에 따라 언더 랩 구간이 최대가 되면서 내부 EGR량이 증가하여 CAI 연소가 일어나는 CAI 모드로 전환되는 단계;를 포함하는 차량 엔진의 CAI 전환 제어 방법을 제공한다.

여기서, 엔진 오일 온도가 기준 온도 미만인 상태에서는 가변 밸브 리프트 시스템의 밸브 리프트 값을 기본 설정값인 하이 밸브 리프트 값으로 유지하여 SI 연소 상태를 유지하는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 대해 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 기존 차량에 적용되고 있는 일반 2-스텝 VVL(Variable Valve Lift, 가변 밸브 리프트) 시스템으로 구현 가능한 언더 랩(under-lap) 방식의 밸브 작동 전략을 채택하여 최단 시간 내에 CAI 연소 전환 제어를 구현하고자 한 것이 다.

첨부한 도 2는 본 발명에 따른 CAI 전환 제어 과정을 나타낸 순서도이고, 도 3은 본 발명에서 언더 랩 밸브 제어를 설명하기 위한 도면이다.

우선, 본 발명에서, CAI 연소가 고온의 배기가스를 이용하기 때문에 엔진의 시동은 SI 모드로 시작해야 한다.

최초 SI 모드에서 2-스텝 VVL 시스템의 밸브 리프트 값은 큰 듀레이션(duration)을 가지는 하이 밸브 리프트(High Valve Lift) 값이 기본 설정되어 있으므로 언더 랩 구간이 최소가 되어 고온의 내부 EGR량이 적기 때문에 자발화가 일어나지 않고 SI 연소를 하게 되며, 이후 엔진 ECU는 엔진 RPM, 엔진 오일 온도, 부하 등의 데이터(CAI 운전 조건을 판정하기 위한 기본적인 차량 상태 입력 데이터임)를 입력받는다.

그리고, CAI 연소는 엔진이 일정 수준 이상으로 워엄-업(warm-up)을 마친 상태에서만 가능하므로 이를 판단하는 기준이 필수적이다.

본 발명에서는 판단 기준으로 엔진 오일의 온도를 체크하게 된다.

즉, ECU는 엔진 시동 후 SI 모드 상태에서 엔진 오일의 온도를 모니터링하여 엔진 오일의 온도가 미리 설정된 기준 온도에 도달하기 전(기준 온도 미만)까지는 기존의 밸브 리프트 값인 하이 밸브 리프트 값을 유지하며, 계속해서 SI 연소를 하게 된다.

밸프 리프트가 기본으로 설정된 하이 밸브 리프트인 상태에서는 전술한 바와 같이 언더 랩 구간이 최소화되고 내부 EGR이 적은 상태이기 때문에 계속해서 SI 연 소를 유지하게 된다.

반면, 엔진 오일의 온도가 기준 온도 이상이 되면 입력받은 값을 바탕으로 CAI 운전 영역에 해당하는지를 판단(이는 기존 과정과 같음)하게 된다.

여기서, CAI 운전 영역에 해당하지 않으면 기존의 밸브 리프트 값인 하이 밸브 리프트 값을 유지하면서 계속해서 SI 연소를 유지하고, CAI 운전 영역에 해당하는 것으로 판단되면 2-스텝 VVL의 밸브 리프트 값을 하이에서 로우 밸브 리프트 값으로 바꾸어준다.

밸브 리프트 값이 순간적으로 작은 밸브 듀레이션을 가지는 로우 밸브 리프트 값으로 전환되면, 도 3에 도시된 바와 같이 배기밸브와 흡기밸브가 조기에 닫히고 흡기밸브가 늦게 열리면서 언더 랩 구간이 최대가 되고, 이에 고온의 내부 EGR량이 순간적으로 증가하게 때문에 연소실 내에 자발화 조건이 형성되어 압축착화 연소가 일어나면서 최단 시간 내에 CAI 연소로 전환된다.

상기와 같이 CAI 연소가 구현된 이후에는 밸브 타이밍, 공연비, 인젝션 타이밍, 외부 EGR량을 조절하면서 최적의 연소 조건을 맞추어주게 된다.

이와 같이 하여, 본 발명에서는 엔진 시동 후 SI 모드에서 엔진 오일 온도를 판단 기준으로 하여 엔진 오일 온도가 자기 착화가 가능한 엔진 워엄-업 상태를 나타내는 기준 온도 이상이라면 CAI 운전 영역에서 2-스텝 VVL 시스템의 밸브 리프트 값을 로우 밸브 리프트 값으로 전환시켜 줌으로써, 언더 랩 구간을 최대로 해 내부 EGR량을 증대시키고, 이에 CAI 모드로 전환시키게 된다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 CAI 전환 제어 방법에 의하면, 엔진 시동 후 SI 모드에서 엔진 오일 온도를 판단 기준으로 하여 엔진 오일 온도가 자기 착화가 가능한 엔진 워엄-업 상태를 나타내는 기준 온도 이상이라면 CAI 운전 영역에서 2-스텝 VVL 시스템의 밸브 리프트 값을 SI 모드의 기본 설정값인 하이 밸브 리프트 값에서 로우 밸브 리프트 값으로 전환하여 CAI 모드로 전환시킴으로써, 정확한 시점에서 최단 시간 내에 CAI 전환 제어가 가능해지는 장점이 있게 된다.

궁극적으로 최단 시간으로 CAI 연소가 가능한 시점을 판단하여 CAI 전환이 이루어지므로 엔진 실화 및 토크 변동의 발생이 억제될 수 있고, 연비 향상 및 배기가스 저감 측면에서 더욱 향상된 효과를 얻을 수 있게 된다.

Claims (3)

1. 엔진 시동 후 SI 연소가 이루어지는 상태에서 엔진 ECU가 엔진 오일 온도를 포함하여 CAI 운전 조건을 판정하기 위한 차량 상태값을 입력받는 단계와;

   엔진 오일 온도가 자기 착화가 가능한 엔진 워엄-업(warm-up) 상태를 나타내는 기준 온도 이상이 되면 입력받은 차량 상태값으로부터 CAI 운전 영역에 해당하는지를 판단하는 단계와;

   엔진 오일 온도가 기준 온도 이상이면서 CAI 운전 영역에 해당하는 것으로 판단되면 가변 밸브 리프트 시스템의 밸브 리프트 값을 SI 모드의 기본 설정값인 하이 밸브 리프트 값에서 로우 밸브 리프트 값으로 전환시키는 단계와;

   상기 로우 밸브 리프트 값으로 전환됨에 따라 언더 랩 구간이 최대가 되면서 내부 EGR량이 증가하여 CAI 연소가 일어나는 CAI 모드로 전환되는 단계;

   를 포함하는 차량 엔진의 CAI 전환 제어 방법.
2. 청구항 1에 있어서,

   엔진 오일 온도가 기준 온도 미만인 상태에서는 가변 밸브 리프트 시스템의 밸브 리프트 값을 기본 설정값인 하이 밸브 리프트 값으로 유지하여 SI 연소 상태를 유지하는 것을 특징으로 하는 차량 엔진의 CAI 전환 제어 방법.
3. 청구항 1에 있어서,

   CAI 운전 영역에 해당하지 않는 것으로 판단되면 가변 밸브 리프트 시스템의 밸브 리프트 값을 기본 설정값인 하이 밸브 리프트 값으로 유지하여 SI 연소 상태를 유지하는 것을 특징으로 하는 차량 엔진의 CAI 전환 제어 방법.

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